Электромагнитные асинхронные двигатели и двигатели переменного тока: как они работают

Электродвигатели являются одними из наиболее важных изобретений в истории техники, а принцип, который заставляет большинство из них работать — электромагнитная индукция — был установлен почти два столетия назад. Сегодня тот же принцип используется во всем: от промышленных компрессоров до электрических велосипедов. Понимание того, что такое двигатели переменного тока, как ими управляет электромагнитная индукция и как эта технология превратилась в бесщеточные двигатели, используемые в современной электрической мобильности, дает полное представление об одной из самых надежных и адаптируемых инженерных идей.

Что такое двигатель переменного тока?

Двигатель переменного тока — это электродвигатель, который преобразует электрическую энергию переменного тока (AC) в механическую энергию вращения. В отличие от двигателей постоянного тока (DC), которые работают от тока, текущего в одном направлении, двигатели переменного тока работают от тока, который периодически меняет направление — обычно 50 или 60 раз в секунду в зависимости от частоты электросети региона.

Каждый двигатель переменного тока состоит из двух основных механических компонентов. статор представляет собой стационарный внешний узел, состоящий из кольца электромагнитных катушек, намотанных на ламинированный стальной сердечник. Когда мощность переменного тока протекает через обмотки статора, они создают магнитное поле. ротор представляет собой вращающийся внутренний узел, расположенный внутри цилиндрической полости статора. Взаимодействие между магнитным полем статора и ротором, достигаемое посредством электромагнитной индукции, постоянных магнитов или внешнего возбуждения в зависимости от типа двигателя, генерирует крутящий момент, который приводит в движение выходной вал.

Двигатели переменного тока делятся на две основные рабочие категории: асинхронные (асинхронные) двигатели и синхронные двигатели. Асинхронные двигатели являются, безусловно, более распространенным типом для промышленного и коммерческого применения, на их долю приходится подавляющее большинство двигателей, используемых во всем мире.

Принцип электромагнитной индукции

Электромагнитная индукция является основой того, как асинхронные двигатели генерируют крутящий момент без какого-либо электрического соединения с ротором. Принцип, установленный Майклом Фарадеем в 1831 году, гласит, что изменяющееся магнитное поле, проходящее через проводник, индуцирует электрический ток в этом проводнике. Этот индуцированный ток, в свою очередь, создает собственное магнитное поле.

В асинхронном двигателе обмотки статора, питаемые переменным током, создают магнитное поле, которое непрерывно вращается вокруг отверстия статора. Это вращающееся поле проходит через проводники ротора, индуцируя в них ток по закону Фарадея. Этот индуцированный ток создает вторичное магнитное поле в роторе. Согласно закону Ленца, это вторичное поле противодействует изменению, которое его создало, то есть оно пытается устранить относительное движение между вращающимся полем статора и неподвижным ротором, заставляя ротор вращаться в том же направлении, что и поле статора.

Результат: ротор вращается, следуя вращающемуся магнитному полю, без какой-либо физической электрической связи между статором и ротором. Никаких щеток, никаких контактных колец со стороны ротора, никакого коллектора — передача энергии происходит исключительно за счет изменения магнитного поля через воздушный зазор. Вот почему асинхронные двигатели настолько механически просты, надежны и долговечны по сравнению с двигателями щеточного типа: на роторе нет контактных компонентов, которые могли бы изнашиваться.

Как создается вращающееся магнитное поле

Вращающееся магнитное поле является ключевым механизмом, который управляет электромагнитной индукцией в двигателе переменного тока, и это новое свойство трехфазной сети переменного тока. В трехфазной системе три отдельных напряжения переменного тока подаются одновременно на три набора обмоток статора, причем каждая пара обмоток физически смещена относительно других на 120 градусов вокруг отверстия статора. Три напряжения также электрически смещены на 120 градусов — это означает, что они достигают своих пиковых значений в разные моменты каждого цикла.

Когда каждая фаза достигает своего пика, электромагниты, питаемые этой фазой, становятся сильнее, притягивая эффективное магнитное поле статора к этому набору полюсов. По мере продвижения цикла и достижения пика следующей фазы поле смещается к следующему набору полюсов — на 120 градусов вокруг статора. Конечным эффектом трех наборов электромагнитов, достигающих пика последовательно и равномерно расположенных по окружности, является магнитное поле, которое плавно вращается вокруг статора со скоростью, определяемой частотой питания и количеством магнитных полюсов в обмотке статора.

Эта синхронная скорость в оборотах в минуту определяется выражением: Нс = (120 × f)/P , где f — частота питания в Гц, а P — количество полюсов. Двухполюсный двигатель при питании 50 Гц вращается с синхронной скоростью 3000 об/мин; четырехполюсный двигатель с тем же источником питания вращается со скоростью 1500 об/мин. Однофазные двигатели также могут создавать вращающееся поле, но для них требуются вспомогательные пусковые обмотки или конденсаторы, поскольку однофазное питание само по себе создает пульсирующее, а не вращающееся поле.

Ротор и направляющая «беличья клетка»

Наиболее распространенной конструкцией ротора в асинхронных двигателях переменного тока является ротор с короткозамкнутым ротором, названный в честь его сходства с колесом для упражнений, используемым мелкими животными. Он состоит из ряда алюминиевых или медных токопроводящих шин, вставленных в пазы многослойного железного сердечника, причем стержни закорочены на обоих концах проводящими концевыми кольцами. Никаких обмоток, изоляции и внешних электрических соединений — ротор механически прост в изготовлении и практически неразрушим при нормальных условиях эксплуатации.

Когда вращающееся магнитное поле статора проходит через эти проводящие стержни, оно индуцирует токи, которые протекают через стержни и вокруг концевых колец. Эти циркулирующие токи создают магнитное поле ротора, которое взаимодействует с полем статора, создавая крутящий момент. Наведенный ток — и, следовательно, крутящий момент — зависит от скорости, с которой поле статора пересекает стержни ротора. Если бы ротор достигал точно такой же скорости, что и вращающееся поле статора (синхронная скорость), не было бы ни относительного движения, ни срезания поля, ни индуцированного тока, ни крутящего момента. Поэтому ротор всегда вращается немного медленнее синхронной скорости.

Эта разница скоростей называется скольжение , выраженный в процентах от синхронной скорости. На холостом ходу скольжение очень мало — обычно от 0,5% до 1%. При полной номинальной нагрузке скольжение увеличивается примерно на 3–8 % в зависимости от конструкции двигателя. Скольжение не является недостатком; это необходимый механизм, с помощью которого асинхронный двигатель генерирует крутящий момент. Без скольжения нет электромагнитной индукции, а без электромагнитной индукции нет крутящего момента.

Асинхронные двигатели против синхронных двигателей

Синхронные двигатели представляют собой еще одну основную отрасль конструкции двигателей переменного тока. Если ротор асинхронного двигателя полностью приводится в движение электромагнитно-индуцированными токами, то ротор синхронного двигателя оснащен постоянными магнитами или отдельно возбуждаемыми электромагнитами, которые фиксируют ротор точно на скорости вращающегося поля статора — с нулевым скольжением.

Синхронные двигатели используются там, где требуется точная, постоянная скорость независимо от изменения нагрузки — в часах, генераторах сигналов и высокоточных приводах позиционирования. Асинхронные двигатели доминируют в общепромышленных и коммерческих приложениях из-за их более низкой стоимости, более высокой надежности и способности к самозапуску в трехфазных конфигурациях.

Однофазные и трехфазные асинхронные двигатели

Трехфазные асинхронные двигатели являются самозапускающимися: трехфазное питание естественным образом создает вращающееся магнитное поле, которое сразу же начинает создавать крутящий момент в короткозамкнутом роторе, как только подается питание. Они более эффективны, производят более высокий коэффициент мощности и используются практически во всех промышленных двигателях, от небольших насосов до приводов мощностью в несколько мегаватт.

Однофазные асинхронные двигатели представляют собой фундаментальную проблему: однофазный источник переменного тока создает пульсирующее, а не вращающееся магнитное поле. Пульсирующее поле может поддерживать вращение, но не может его запустить — у двигателя нет предпочтительного направления вращения и нулевой пусковой момент в неподвижном состоянии. Эту проблему решают несколько стратегий проектирования, каждая из которых создает отдельный вариант двигателя.

От индукции переменного тока к бесщеточному постоянному току: современная эволюция

Бесщеточный двигатель постоянного тока (BLDC) — в настоящее время доминирующий тип двигателя в электрических велосипедах, электронных скутерах, дронах и вспомогательных приводах электромобилей — не является асинхронным двигателем переменного тока в традиционном смысле. Вместо того, чтобы полагаться на электромагнитно-индуцированные токи ротора, двигатель BLDC использует постоянные магниты на роторе и электронное управление переключением тока в статоре для создания вращения. В этом отношении он больше похож на синхронный двигатель, чем на асинхронный двигатель.

Связь с принципами двигателя переменного тока заключается в статоре: статор двигателя BLDC создает вращающееся магнитное поле посредством точно синхронизированного переключения постоянного тока через его обмотки — эффект, функционально эквивалентный тому, чего достигает трехфазный переменный ток за счет синусоидального изменения тока. Контроллер двигателя выполняет электронную коммутацию, которая заменяет щетки традиционного двигателя постоянного тока, используя обратную связь о положении ротора (от датчиков Холла или датчиков обратной ЭДС) для подачи питания на правильные обмотки статора в каждый момент цикла вращения.

Результатом стал двигатель, который сочетает в себе синхронную работу и высокую эффективность синхронного двигателя с постоянными магнитами с управляемостью и компактностью, необходимыми для приложений с батарейным питанием. Двигатели BLDC устраняют износ щеток, который ограничивает срок службы традиционных двигателей постоянного тока, эффективно работают в широком диапазоне скоростей и обеспечивают высокую плотность крутящего момента в компактном корпусе, что делает их инженерной основой современной электрической мобильности.

Приложения в современной электромобильности

Принципы электромагнитной индукции и вращающихся магнитных полей, разработанные в девятнадцатом веке, непосредственно воплощены в двигателях современных электрических велосипедов и легких электромобилей — хотя и в их современной бесщеточной форме с постоянными магнитами. На этом рынке доминируют две различные конфигурации двигателей, каждая из которых имеет разные характеристики производительности и подходит для разных стилей езды и требований.

Ступичные моторы интегрируйте двигатель непосредственно в ступицу колеса — спереди или сзади — при этом статор прикреплен к оси, а ротор образует внешнюю оболочку, приводящую в движение колесо. Электромагнитное взаимодействие между неподвижными обмотками статора и вращающимся ротором с постоянными магнитами непосредственно вращает колесо, без цепи передачи механической энергии между двигателем и колесом. Эта простота делает ступичные двигатели удобными в обслуживании и бесшумными. Ступичные моторы for electric bicycles and light electric vehicles подходят для пригородных поездок, грузовых перевозок и отдыха, где приоритетными являются простая установка и низкие эксплуатационные расходы.

Среднеприводные двигатели расположите двигатель у каретки велосипеда, приводя в движение шатун и цепь, а не колесо. This arrangement lets the rider use the bicycle's existing gear system to multiply motor torque, making mid-drive systems significantly more efficient on hilly terrain and better matched to variable-load conditions. Среднеприводные двигатели for high-performance electric bikes обеспечивают крутящий момент и универсальность на местности, необходимые для горных электронных велосипедов, грузовых велосипедов и высокопроизводительных пригородных велосипедов.

В обеих конфигурациях двигатель не может работать эффективно без соответствующего контроллера двигателя. Контроллер выполняет электронную коммутацию, которая заменяет механические щетки, управляет подачей тока на обмотки статора на основе обратной связи по положению ротора и преобразует входные данные водителя (дроссельная заслонка, уровень помощи педали) в точный выходной крутящий момент. Контроллеры бесщеточных двигателей постоянного тока для систем концентраторов и средних приводов разработаны с учетом конкретных конфигураций обмоток двигателя, диапазонов напряжений и протоколов связи. Для инженеров и интеграторов, создающих комплексные приводные системы, руководство по сопряжению контроллера и двигателя обеспечивает структуру сопоставления спецификаций, необходимую для выбора совместимых комбинаций контроллера и двигателя для данной платформы транспортного средства и заданной производительности.